印制电路板的可靠性设计(二)一、去耦电容配置在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下︰ 电源输入端跨接一个 10 ～ 100uF 的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用 100uF 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。 为每个集成电路芯片配置一个 0.01uF 的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每 4 ～ 10 个芯片配置一个 1 ～ 10uF 钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在 500kHz ～ 20MHz 范围内阻抗小于 1 Ω，而且漏电流很小（ 0.5uA 以下）。 对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和 ROM 、 RAM 等存储型器件，应在芯片的电源线（ Vcc ）和地线（ GND ）间直接接入去耦电容。 去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线
二、印制电路板的尺寸与器件的布置
印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。 在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。如图 2 所示。时种发生器、晶振和 CPU 的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另做电路板，这一点十分重要
三、热设计从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于 2cm ，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则︰ 对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列，如图 3 示；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排列。 同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。 在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。 设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。 大量实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制电路的温升，从而使器件及设备的故障率明显下降。四、产品骚扰的抑制方案1 接地1.1 设备的信号接地 目的︰为设备中的任何信号提供一个公共的参考电位。 方式︰设备的信号接地系统可以是一块金属板。 1.2 基本的信号接地方式 有三种基本的信号接地方式︰浮地、单点接地、多点接地。 1.2.1 浮地 目的︰使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来，浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。 缺点︰容易出现静电积累引起强烈的静电放电。 折衷方案︰接入泄放电阻。 1.2.2 单点接地 方式︰线路中只有一个物理点被定义为接地参考点，凡需要接地均接于此。 缺点︰不适宜用于高频场合。 1.2.3 多点接地 方式︰凡需要接地的点都直接连到距它最近的接地平面上，以便使接地线长度为最短。 缺点︰维护较麻烦。 1.2.4 混合接地 按需要选用单点及多点接地。 1.3 信号接地线的处理（搭接） 搭接是在两个金属点之间建立低阻抗的通路。 分直接搭接、间接搭接方式。 无论哪一种搭接方式，最重要的是强调搭接良好。 1.4 设备的接地（接大地） 设备与大地连在一起，以大地为参考点，目的︰ 实现设备的安全接地 泄放机箱上所积累的电荷，避免设备内部放电。 接高设备工作的稳定性，避免设备对大地的电位在外界电磁环境作用下发生的变化。 1.5 拉大地的方法和接地电阻 接地棒。 1.6 电气设备的接地 例 2 屏蔽 2.1 电场屏蔽2.1.1 电场屏蔽的机理 分布电容间的耦合 处理方法︰ 增大 A 、 B 距离。 B 尽量贴近接地板。 A 、 B 间插入金属屏蔽板。 2.1.2 电场屏蔽设计重点︰ 屏蔽板程控受保护物；屏蔽板接地必须良好。 注意屏蔽板的形状。 屏蔽板以良好导体为好，厚度无要求，强度要足够。 2.2 磁场屏蔽 2.2.1 磁场屏蔽的机理 高导磁材料的低磁阻起磁分路作用，使屏蔽体内的磁场大大降低。 2.2.2 磁场屏蔽设计重点 1 ） 选用高导磁率材料。 2 ） 增加屏蔽体的壁厚。 3 ） 被屏蔽物不要紧靠屏蔽体。 4 ） 注意结构设计。 5 ） 对强用双层磁屏蔽体。 2.3 电磁场屏蔽的机理 1 ） 表面的反射。2 ） 屏蔽体内部的吸收。 2.3.2 材料对电磁屏蔽的效果 2.4 实际的电磁屏蔽体五、产品内部的电磁兼容性设计1 印刷电路板设计中的电磁兼容性 印刷线路板中的公共阻抗耦合问题 数字地与仿真地分开，地线加宽。 印刷线路板的布局 ※对高速、中速和低速混用时，注意不同的布局区域。 ※对低仿真电路和数字逻辑要分离。 1.3 印刷线路板的布线（单面或双面板） ※专用零伏线，电源线的走线宽度≧ 1mm 。 ※电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。 ※要为仿真电路专门提供一根零伏线。 ※为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，在意安插一些零伏线作为线间隔离。 ※印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离。 ※特别注意电流流通中的导线环路尺寸。 ※如有可能在控制线（于印刷板上）的入口处加接 R-C 去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。 ※印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角 ( ≧ 90 度 ) 。 1.4 对在印刷线路板上使用逻辑电路有益建议 ※凡能不用高速逻辑电路的就不用。 ※在电源与地之间加去耦电容。 ※注意长线传输中的波形畸变。 ※用 R-S 触发的作按钮与电子线路之间配合的缓冲。 1.4.1 逻辑电路工作时，所引入的电源线干扰及抑制方法 1.4.2 逻辑电路输出波形传输中的畸变问题 1.4.3 按钮操作与电子线路工作的配合问题 1.5 印刷线路板的互连 主要是线间串扰，影响因素︰ ※直角走线 ※屏蔽线 ※阻抗匹配 ※长线驱动 2 开关电源设计中的电磁兼容性 2.1 开关电源对电网传导的骚扰与抑制 骚扰来源︰非线性流。 初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容光焕发性耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。 抑制方法︰对开关电压波形进行“修整”。 在晶体管与散热器之间加装带屏蔽层的绝缘垫片。 在市电输入电路中加接电源滤波器。 2.2 开关电源的辐射骚扰与抑制 注意辐射骚扰与抑制 抑制方法︰尽可能地减小环路面积。 印刷线路板上正负载流导体的布局。 在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器。 对晶体管开关波形进行“修整”。 2.3 输出噪声的减小 原因是二极管反向电流陡变及回路分布电感。二极管结电容等形成高频衰减振荡，而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用，因此在输出改波中出现尖峰干扰解决办法是加小电感和高频电容。 3 设备内部的布线 3.1 线间电磁耦合现象及抑制方法 对磁场耦合︰ 减小干扰和敏感电路的环路面积最好办法是使用双绞线和屏蔽线。 增大线间距离（使互感减小）。 尽可有使干扰源线路与受感应线路呈直角布线。 对电容耦合︰ 增大线间距离。 屏蔽层接地。 降低敏感线路的输入阻抗。 如有可能在敏感电路采用平衡线路作输入，利用平衡线路固有的共模抑制能力克服干扰源对敏感线路的干扰。 3.2 一般的布线方法︰ 按功率分类，不同分类的导线应分别捆扎，分开敷设的线束间距离应为 50 ～ 75mm 。 4 屏蔽电缆的接地 4.1 常用的电缆 ※双绞线在低于 100KHz 下使用非常有效，高频下因特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射而受到限制。 ※带屏蔽的双绞线，信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消。 ※非屏蔽双绞线抵御静电耦合的能力差些。但对防止磁场感应仍有很好作用。非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比。 ※同轴电缆有较均匀的特性阻抗和较低的损耗，使从真流到甚高频都有较好特性。 ※无屏蔽的带状电缆。 最好的接线方式是信号与地线相间，稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推，或专用一块接地平板。 4.2 电缆线屏蔽层的接地 总之，将负载直接接地的方式是不合适的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。 4.3 电缆线的端接方法 在要求高的场合要为内导体提供 360 °的完整包裹，并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。 5 对静电的防护 静电放电可通过直接传导，电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路。 直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏，对邻近物体的放电通过电容或电感耦合，会影响到电路工作的稳定性。 防护方法︰ 建立完善的屏蔽结构，带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。 金属外壳接地可限制外壳电位的升高，造成内部电路与外壳之间的放电。 内部电路如果要与金属外壳相连时，要用单点接地，防止放电电流流过内部电路。 在电缆入口处增加保护器件。 在印刷板入口处增加保护环（环与接地端相连）。 6 设备内部开关接点的处理 6.1 开关断开过程中瞬变干扰形成 6.2 干扰的抑制措施 6.2.1 对被切换电感负载的处理 6.2.2 对开关触点的处理